Электронный научно-практический журнал «Современные научные исследования и инновации» » эргатические системы

Определение характеристик эргатической системы по данным нормального функционирования

fmatem — Tue, 18 Nov 2014 10:45:02 +0000

В связи с действием в замкнутой эргатической системе организмического принципа, в соответствии с которым оператор достраивает свои параметры организмически оптимально (объект предопределяет поведение оператора), математическое моделирование человеко-машинной системы значительно усложняется. Основой при моделировании таких систем являются результаты данных нормального функционирования. В частности, нами использовались [1…4]:

- распределение вероятностей дискретных значений фазовых координат,
- условные вероятности дискретных значений управляющих воздействий,
- числовые характеристики фазовых координат и управляющих воздействий, как случайных функций,
- меры зависимостей между управляющими воздействиями и значениями выходных координат,
- характеристики каналов управления, как дискретных информационных каналов, в том числе, характеристики дублирований и взаимодействия в передаче стимулов (выходных координат) при выборе соответствующих реакций ,
- корреляционные функции и спектральные характеристики фазовых координат и управляющих воздействий.
В качестве программного движения рассматривалось скользящее среднее

;

- отклонение органа управления в рассматриваемом канале. Стабилизация программного движения определяется сигналом

(1)

Соотношение (1) рассматривается как уравнение замыкания для целостной эргатической системы.
Структурная схема целостной системы для рассматриваемых систем представляется в виде, приведенным на рис.1.

Рис.1

С учетом (1) она легко приводится к виду, изображенному на рис.2.

Рис.2

При изучении отдельных каналов программного движения и его стабилизации структурная схема целостной системы представлялась в виде, приведенном на рис.3.

Рис.3

Передаточная функция определяется уравнениями движения объекта. Обычно достигается хорошее качество его моделирования (в ряде случаев использовались пробные воздействия). Что касается стабилизации, то здесь возникают значительные трудности.
Справедливо

;

определяется как передаточной функцией объекта , так и передаточной функцией человека-оператора, параметры которой входят в (в силу организмического принципа зависит от ).
Для конкретных реализаций управлений разрабатывались программно-алгоритмические модули, которые использовались для объективной оценки деятельности оператора. Определялись:
- числовые характеристики управляющих воздействий как непрерывного, дискретного, импульсного процесса;
- коэффициенты когерентности, полученные по спектральным характеристикам;
- информационная значимость сигналов при формировании управляющих воздействий.
При рассмотрении управляющих воздействий как непрерывных сигналов в качестве характеристик стиля управления по каждому из каналов использовались параметры внутренней структуры случайной функции

;

Выбор значения  осуществлялся с учетом значения доминирующей в  частоты ;  (принималось ).
Когда воздействия рассматривались как импульсные процессы, в качестве основных характеристик управляющих воздействий рассматривались амплитуды, длительности и вероятности их распределения (распределение случайных амплитуд  импульсов не является нормальным, хотя дискретные значения  распределены нормально).
При представлении управляющих воздействий как совокупность выбросов в качестве параметров управления использовались числа  и длительности  положительных и отрицательных выбросов, а также их средние значения  на интервале .
Квазилинейная модель эргатической системы идентифицировалась регрессионными методами.
Зависимости компонент обобщенного вектора управления от технических характеристик объекта определялись, ограничиваясь уровнем линейной регрессии.
Полученные данные позволили установить соответствие обобщенного вектора управления и технических характеристик объекта, а также объективизировать оценку оператором объекта управления (по классам в выбранной шкале; использовалась десяти балльная шкала Купера-Харпера)
Для оценки деятельности оператора по управлению объектом использовались специально разработанные для каждого канала управления в отдельности функционалы.
Интегральные характеристики управления определяются на основе аддитивного глобального критерия, построенного на основе поканальных критериев с учетом межканальной корреляции [5…8].

Управление в пространстве: идентификация управляющих воздействий

fmatem — Tue, 16 Dec 2014 13:37:47 +0000

При идентификации эргатических систем особенно актуальны решения задач, связанных с дискретизацией непрерывных сигналов и возможностью восстановления непрерывной функции  по ее спектру.
Если функции  имеют ограниченный спектр, то вместо мгновенных значений можно использовать коэффициенты разложения в ряд Фурье (часто это используется при составлении вибрационных карт сложных конструкций). Здесь реакции подсистем обычно представляются экспоненциально-косинусными выражениями.
При определении параметров управляемого объекта часто используется метод пробных воздействий (в частности, используется реакция  объекта на отклонение органа управления). В этом случае задача во многом сводится к применению теоремы В.А.Котельникова для простейшего случая квантования сигнала

или ,

- амплитуда, (-постоянная времени).
При определении частоты квантования предполагается, что спектр частот рассматриваемого сигнала ограничен частотой (выбирается из условия, что энергия суммы отброшенных гармоник не превышает энергии ошибки). В предположении, что ошибка восстановления сигнала по его квантованным значениям не должна превышать (- шаг квантования по уровню, - коэффициент). Тогда полная энергия сигнала определится в виде суммы двух слагаемых

(1)

и - соответственно энергия сигнала, ограниченного частотой , и энергия отброшенных гармоник (равна энергии ошибки воспроизведения).
Спектральная плотность для указанных видов экспонент:

;

или

Для сигнала, содержащего все гармоники от 0 до , справедливо:

где - сопряженная с .
Откуда следует

Аналогично энергия сигнала , ограниченного частотой , будет иметь вид:

По условиям измерения любое значение сигнала в пределах от 0 до (n – максимальное число шагов шкалы уровней) равновероятно. Так что среднее значение определится в виде:

Тогда среднее значение энергии ошибки воспроизведения (предполагается, что любое значение энергии ошибки в пределах заданной величины равновероятно) имеет вид:

В силу предыдущего:

- относительная ошибка.
Подставляя значения ,, в (1), получим:

,
,
.

Из последнего выражения следует

или

С учетом и , имеем:

Искомая частота квантования в соответствии с теоремой В.А.Котельникова определится в виде:

(частота квантования экспоненциального сигнала зависит от заданной ошибки воспроизведения). В предположении восстанавливаемости сигнала внутри интервалов квантования ошибка квантования порождается только за счет ограничения спектра частот этого сигнала (при соблюдении условий теоремы).
Отметим, квантование по времени фактически сводится к аппроксимации функции в заданном классе . В частности, можно построить полином степени , принимающий в точках те же значения, что и функция :

Задача сводится к определению коэффициентов () полинома

Из уравнений

,
,
……………………………….
.

Предложенные методики широко использовались в задачах определения параметров управляющих воздействий (непрерывные функции, поток импульсов, выбросы и т.д.), связанных с оценкой имитационных характеристик тренажных и обучающих комплексов для подготовки операторов различных управляемых в пространстве объектов [1…5].

Статистические зависимости управляющих воздействий и моделирование эргатических систем

fmatem — Mon, 09 Feb 2015 15:09:11 +0000

В основе математического моделирования [1…3] лежат решения частной задачи идентификации с использованием статистического анализа данных нормального функционирования. Их решение практически невозможно без получения:
- распределения вероятностей дискретных значений фазовых координат,
- условных вероятностей дискретных значений параметров управляющих воздействий,
- характеристик фазовых координат и управляющих воздействий, как случайных функций,
- введение меры для оценки зависимостей между управляющими воздействиями и значениями выходных координат,
- характеристик каналов управления, как дискретных информационных каналов, в том числе характеристик дублирования и взаимодействия в передаче стимулов (выходных координат объекта) при выборе соответствующих реакций (управляющих воздействий),
- корреляционных функций и спектральных характеристик фазовых координат и управляющих воздействий.
В качестве обобщенного вектора управления целесообразно использовать параметры управляющих воздействий оператора (некоторые числовые характеристики), в частности, рассматривая их выбросы случайного процесса . В этом случае параметрами управляющих воздействий будут числа и длительности положительных и отрицательных выбросов, а также их средние значения на интервале . Управляющие воздействия можно рассматривать и как импульсные процессы. В этом случае в качестве основных характеристик управляющих воздействий рассматриваются амплитуды, длительности и вероятности их распределения. Можно рассматривать управляющие воздействия и как непрерывные случайные процессы или поток импульсов. По ним, как по данным когнитивного моделирования [4], уже можно построить квазилинейную модель эргатической системы. Параметры такой модели можно идентифицировать, например, приводимым ниже методом.
Для короткопериодической составляющей продольного движения уравнения динамики имеют вид

;
.

Откуда:

- число измерений .
Из условий минимума

,
,

получим уравнения для определения неизвестных коэффициентов:

,	(1)
,	(2)

, , .

Откуда:

, ;	(3)
,	(4)

С учетом (3) и (1):

Имеем:

или

Откуда следует рекуррентная формула для определения при r-ом измерении через оценку при (r-1)-ом измерении

Аналогично – для оценки :

Приведенный алгоритм эффективно использовался при разработке тренажных и обучающих комплексов для различных отраслей промышленности [5…8].

Параметры управления и напряженность оператора в эргатической системе

fmatem — Sat, 14 Feb 2015 10:08:35 +0000

Обеспечение эффективности и надежности эргатических систем непосредственно связано с изучением психики человека в самых различных условиях [1], в том числе и в предельных состояниях. Моделью предельного случая предусматривается психическая патология (возможен избыток побочных шумов, дефицит информации, артефакты (любой искусственно созданный объект, продукт человеческой деятельности) психического отражения ситуаций и неадекватного поведения). При феноменологическом описании деятельности человека в зависимости от состояния его психики и факторов, влияющих на ее надежность, в качестве входов системы можно рассматривать:
- психопатологическое отягощение (наличие психозов и пограничных форм);
- особенности личности с наиболее часто встречающимися вариантами нормы и аномалиями;
- вредные воздействия в течение жизни их последствий;
- отрицательные факторы в рассматриваемый момент.
На выходе системы:
- основные уровни психики (сон – бодрствование, интеллект, мышление, эмоциональная сфера, память);
- информационно-отражательные механизмы восприятия и узнавания, представления и воображения и др.;
- параметры целенаправленной деятельности;
- признаки для оценки действий, высказываний, решений и т.д.
Статистический анализ данных нормального функционирования подтвердил высокую зависимость между наследственным психопатологическим отягощением, аномальными признаками личности и остаточными явлениями перенесенных заболеваний с одной стороны и нарушениями психического отражения и организацией деятельности – с другой. Указанная зависимость является неспецифической; не связана с видом возникшей психической болезни, и имеет место во всех случаях предельных состояний. В качестве количественных характеристик зависимостей использовались:
- мера  зависимости случайного события  от случайного события , а именно условная вероятность ;
- мера  зависимости события  от событий ;  - для независимых  (можно говорить, что  есть линейная комбинация событий , то есть  (речь идет не о линейной функциональной зависимости  от ; эта зависимость может быть гораздо более сложной и не линейной).
При использовании дискретных случайных величин  в качестве меры зависимости использовалась ; ; - возможные значения  и ;  обычно вычисляется по выборке объекта  (сначала по всей выборке, затем по репрезентативным частям с минимальным пересечением, а затем – среднее значение).
Психофизиологическая напряженность оператора косвенно характеризует степень совместимости человека с машиной; позволяет определить область исследований для повышения эффективности авиационных эргатических систем. Локализация исследований возможна по зависимостям напряженностей от структуры и характеристик отдельных составляющих деятельности оператора. Современные биотехнические комплексы позволяют оценить не только моторные, но и зрительные маршруты (используются и датчики, устанавливаемые на теле оператора). В качестве параметров, характеризующих психофизиологическую напряженность, на разных этапах полета (взлет, маршрут, заход на посадку, полет от ближнего маяка до приземления) часто используются математические ожидания [2] (соответствующие значения указаны в скобках):
- частоты сердечно-сосудистых сокращений (79; 67; 99; 110),
- частоты дыхания (20;14; 23; 25),
- длительности обращения к ПКП (0,37; 1,8; 1; 0,2, с),
- длительности переноса взгляда (0,025; 0,03; 0,03; 0,02, с).
В частности, длительность обращения к ПКП, переноса взгляда имеют обратную корреляционную связь с частотой сердечно-сосудистых сокращений и дыхания (широко используются для оценки психофизиологической напряженности оператора в реальных и имитируемых условиях полета).
Известно, в процессе функционирования эргатической системы оператор опрашивает объект, определяет его реакцию и работает в импульсном режиме; управление  есть последовательность следующих друг за другом импульсов. Высота (или амплитуда) , длительность , время появления  есть случайные параметры импульсов. Для взаимно независимых неперекрывающихся импульсов () спектральная плотность

; .

Так что характеристиками управляющих воздействий можно считать амплитуды, длительности и вероятности их распределения.
Вид и структура управляющих воздействий зависят от собственных частот колебаний и безразмерных коэффициентов демпфирования . Известно, предпочтительными с инженерно-психологической точки зрения считаются значения , с^-1; .
Адаптация оператора к значениям и оценивается величинами

, ,

где и - соответственно дисперсия, приходящаяся на участок , и вероятность попадания частоты в управляющих воздействиях оператора на этот участок; значения определяются по виду . Чем меньше и чем лучше оператор приспособился к значению , тем больше значение ).
Результаты исследований использовались при настройке параметров авиационных тренажеров транспортных самолетов [3…6].

Структурирование эргатических систем

fmatem — Sat, 07 Mar 2015 20:31:02 +0000

Проектирование любой эргатической системы начинается с ее феноменологического описания и последующего когнитивного моделирования [1…3]. Одной из основных задач является определение структуры системы (обычно на основе ориентированного графа – когнитивной карты). Укажем фундаментальные понятия, без которых нельзя получить решение. Связанное с анализом и синтезом эргатических систем.
Эргатической является любая физическая система, в той или иной мере зависящая от участия в ней человека. С этих позиций все физические системы, созданные людьми, являются эргатическими. С точки зрения теории управления эргатическая система представляет собой совокупность объектов управления (ими могут быть и люди), с которыми взаимодействует человек, осуществляющий функцию управления. В качестве решающего и управляющего звена выступает человек. В человеко-машинной системе оператор управляет машиной (вообще говоря, человек может управлять и другими людьми). Эргатическим процессом является целенаправленное преобразование эргатической системы предмета труда, под которым выступает любой объект, с которым человек-оператор взаимодействует на протяжении определенного периода времени и при определенных условиях (с целью изменения свойств объекта). Таким образом, человек-оператор осуществляет трудовую деятельность, основу которой составляет взаимодействие с предметом труда, машиной, другими людьми и внешней средой с использованием информационной модели и органов управления.
Состояние эргатической системы, при котором возможно выполнение заданных функций и с параметрами, установленными техническим заданием на решаемую системой задачу, будет определять работоспособность эргатической системы. Если функционирование невозможно, то эргатическая система – не работоспособна. Цель системы определяется долгосрочным желаемым результатом (в заданном промежутке времени может быть и не достижимым), к которому должна стремиться система. Ближайший желаемый результат, достижимый за период действия системы, является итогом. Цель эргатической системы определяется всеми видами желаемых результатов. Качество системы зависит от приемлемости системы для решения конкретной задачи (или класса конкретных задач). Оценка приемлемости производится по времени функционирования, совокупности входных воздействий и выходных величин (показателей), а также совокупностью управляющих воздействий (переводит эргатическую систему из начального в конечное состояние; определяеся свойствами целевого подмножества), множеством допустимых управлений. Функционально завершенную часть эгратического процесса, имеющую самостоятельную цель или задачу, можно рассматривать как операцию (последовательность движений или групп движений – элементарные акты). Личными качествами человека-оператора определяется способ действий (индивидуальная совокупность умственных, моторных средств). К ним оператор прибегает сознательно или стихийно с учетом условий деятельности. При одной и той же цели (построение эргатического процесса) для ее достижения могут использоваться разнообразные способы действий (исходя из одной или нескольких доктрин).
Обученность оператора (состояние эргатической системы, обусловленное профессиональной подготовленностью человека-опретора) характеризуется стабилизацией показателей его работоспособности при последовательном предъявлении однотипных задач. Уровень обученности (способность оператора выполнять работу с заданным качеством) определяется совокупностью специальных знаний, умений, навыков.
Качество эргатической системы определяется на основе количественных показателей; успешность каждой операции (эргатического процесса) – тактической и технической приемлемостью системы (показатель эффективности эргатической системы – возможность достижения поставленной цели в заданных условиях с определенным качеством). При этом человек-оператор вместе с устройством индикации, пультом управления вспомогательными устройствами ручной настройки и т.д. составляют собственно эргатическую часть системы. Способность оператора перестраивать структуру и параметры своей деятельности для повышения качества эргатического процесса, реализуемого системой, определяет адаптивность целостной системы.
Показателями адаптивности являются:
- скорость изменения показателей качества;
- минимальное значение показателя качества, достигаемое системой на заданном интервале времени или за обусловленное число циклов (порог обучения);
- рассеивание показателей качества на пороговом уровне;
- знак скорости изменения функционала качества.
Мотивация, как свойство эргатической системы, определяется возможностью регулирования интенсивности показателя адаптивности при изменении цели эргатического процесса. Отметим, изменение деятельности одного человека-оператора в эргатическом процессе может вызвать изменение деятельности одного или нескольких человек (последствие или стимуляция; вид взаимосвязи не имеет значения).
В качестве иллюстрации рассмотрим структуру управляемой системы (рис.1).

Рис.1. Структурная схема управляемой системы:

- входное возмущение (или программа), - сигнал ошибки системы (исполнительный сигнал), - сигнал обратной связи, - помеха, - импульсная переходная функция системы, - импульсная переходная функция объекта, - импульсная переходная функция обратной связи, - импульсная переходная функция части объекта, где действием помехи можно пренебречь.
В соответствии с указанной структурой легко определяются характеристики эргатической системы. Справедливо:

,
,
,
,
,
.

При (единичная отрицательная обратная связь):

(знания для определения не требуется).
К сожалению, формализованное описание системы не всегда возможно и, как правило, возникает необходимость использования итеративных методов [4…9]. Однако и в этих случаях одной из основных задач является предварительное структурирование эргатической системы.

Формализованное описание эргатических систем

fmatem — Sat, 07 Mar 2015 20:42:59 +0000

Основными элементами эргатической системы являются объект и оператор. Как правило, изучение объекта управления является наиболее простым и может в преобладающем большинстве случаев изучаться методом пробных воздействий (за исключением систем повышенного риска). Что касается получения динамических характеристик оператора, то оно сопряжено с чрезвычайно большими сложностями формализации деятельности оператора. В общем случае оператор, как звено управляемой системы (рис.1), может рассматриваться как система с n + r входами и m выходами: - формализуемые входные сигналы, - неформализуемые входы; - формализуемые выходы системы. При нулевом приближении обычно выходы , считаются некоррелированными, неформализуемые входные сигналы отбрасываются, и оператор описывается как формализованное звено с n входами и m выходами (рис.2).


Рис.1	Рис.2

При анализе переходных процессов (предполагается при ) используется приводимая ниже методика.

1. Система представляется в виде:

2. Передаточная функция

, .

3. При ,

Отметим, что частные частотные характеристики оператора по входам и выходам могут определяться с использованием функций частной множественной когерентности:

где

, ;

, ,
, .
Отметим, что указанная здесь методика может использоваться для ранжировки входных сигналов, по которым оператор формирует управляющие воздействия. Для этого необходимо:
- произвести синхронные измерения сигналов и в процессе нормальной эксплуатации;
- определить элементы матриц ;
- вычислить элементы матрицы и для каждого значения определить функции частной когерентности

;

- расположить в порядке убывания значений функций частной когерентности (чем больше информационная значимость сигнала, тем выше его ранг).
Вычисление матрицы спектральных плотностей

производится с использованием соотношений

, ,
,
.

Функция множественной когерентности будет иметь вид:

При , для каждого из выходов структурная схема человека-оператора будет иметь вид, приведенный на рис.3.

Рис.3

Приведенный подход к синтезу эргатических систем эффективно использовался при разработке обучающих комплексов для подготовки операторов транспортных средств [1…5].

Знаковая корреляционная функция при моделировании эргатических систем

fmatem — Tue, 23 Jun 2015 15:03:24 +0000

При имитационном моделировании динамических систем и разработке тренажеров часто управляющие воздействия оператора определяются как центрированные случайные функции (отклонение от программного управления (тренд); воздействия по стабилизации программного движения за вычетом флуктуаций). При их определении по данным нормальной эксплуатации используется итерационная процедура (относится и к определению передаточных функций, как оператора, так и объекта). Модели человека-оператора соответствуют моделям отдельных органов (обычно вход – восприятие; выход – движение конечностей). Часто человек-оператор действует в импульсном режиме; прогнозирование производится в результате распознавания образов; в течение каждого периода времени использует максимальное управляющее воздействие. Определение динамических характеристики системы в процессе функционирования системы на основе реакций объекта на периодические импульсные сигналы оператора. Реакцию системы человек-оператор оценивает по концептуальной модели.
Рассматриваемые эргатические системы описываются уравнениями вида

,
,

где - векторы фазовых координат, управляющих и возмущающих воздействий; - матрицы соответствующих размерностей, - вектор-столбец постоянных времени. Управляющие воздействия оператора рассматриваются как непрерывные функции , удовлетворяющие условиям:

Стиль управления по каждому из каналов определяется параметрами внутренней структуры случайной функции (управляющее воздействие первого приближения)

(зависит от выбора интервала усреднения ; выбор значения  должен быть согласован со значением доминирующей в  частоты ;  ; обычно принимается ). Удобным оказалось рассмотрение управляющих воздействий как узкополосный случайный процесс; оценка оператором характеристик объекта управления, вид и структура управляющих воздействий существенно зависят от собственных частот колебаний  и безразмерных коэффициентов демпфирования  (собственных чисел  матрицы ).
В ряде случаев целесообразно рассмотрение управляющих воздействий оператора как импульсных процессов. В этом случае в качестве основных характеристик управляющих воздействий рассматриваются амплитуды, длительности и вероятности их распределения. Отметим интересный факт: распределение случайных амплитуд  импульсов не является нормальным, хотя дискретные значения  распределены нормально.
При качественной оценки связи между стимулом и реакцией оператора предполагается, что неперекрывающимся импульсам выходной координаты объекта соответствуют неперекрывающиеся импульсы управляющих воздействий. Однако, в силу инерционности объекта и оператора, а также случайных внешних возмущений и внутренних помех управляющие воздействия и изменения выходных координат представляют собой серии перекрывающихся импульсов. Поэтому установление связи между стимулом и реакцией по данным нормальной эксплуатации порою затруднительно.
Управляющие воздействия нередко рассматриваются как выбросы. Здесь параметры управляющих воздействий определяются как некоторые числовые характеристики, рассматривая выбросы случайного процесса . В качестве параметров управляющих воздействий рассматриваются числа  и длительности  положительных и отрицательных выбросов, а также их средние значения  на интервале .
Если сигналы  и  являются гауссовыми и имеют нулевое среднее значение, то нормированная взаимно-корреляционная функция имеет вид

и выражается через знаковую взаимно-корреляционную функцию . Она получается из

заменой на :

При решении задач, где требуется выявить максимум коэффициента корреляции, знаковая корреляционная функции более предпочтительна. Правда, среднеквадратичное значение случайных сигналов при использовании знаковой корреляции может быть определено лишь при добавлении к специальных вспомогательных сигналов.
Имеют место следующие формулы:

Если , то являются независимыми при данном .
Алгоритм вычисления знаковой корреляционной функции совершенно аналогичен алгоритму вычисления корреляционной функции.
Близость статистической связи между и стационарного процесса к линейной функциональной зависимости:

оценивается по ; чем ближе к 1 , тем более определенна связь между и и наоборот.

При (на приведенном рисунке) при помощи уравнения можно с большей степенью достоверности предсказать по , чем по уравнению при .

Преимущество использования знаковой корреляционной функции перед другими состоит в простоте использования, наглядности и интерпретации. Поэтому она широко использовалась при составлении когнитивной модели транспортной эргатической системы [1…6].